TW202203711A - X光成像系統 - Google Patents

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布瓊 漢森
朱列斯 哈爾施泰特
托米 托希瑪
烏爾夫 隆德斯特倫
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Abstract

本發明揭示一種X光成像系統，其包括：一目標；一電子束源，其經組態以提供一電子束以與該目標交互作用以產生X光輻射；電子光學器件，其經組態以交替地將該電子束引導至該目標上之至少一第一及一第二位置；一X光偵測器陣列，其經組態以接收在該目標上之該第一及第二位置處產生之X光輻射；一樣本位置區域，用於接收待曝露於所產生之X光輻射之一樣本，該樣本位置區域係位在於其中該第一位置處產生之X光輻射與該第二位置處產生之X光輻射重疊的一區域中；及一處理單元，其經耦接至該X光偵測器陣列，該處理單元經組態以基於源自該第一位置及該第二位置之X光輻射來產生經定位於該樣本位置區域中之一樣本之一影像。該電子束在該等位置之間移動，使得該第一及第二位置之連續曝光之間的一時間小於10 µs，藉此減少熱致機械應力。本發明亦揭示一種對應方法。

Description

X光成像系統
本發明係關於一種X光成像系統，其中一電子束與一目標交互作用以產生X光輻射。
US 5,835,561中揭示一種利用X光輻射藉由一電子束與一目標之間的交互作用自其產生之多個光點之先前技術X光系統。在該系統中，各光點與複數個準直元件中之一者相關聯。準直元件放置於X光管之發射面前面且各準直元件使其孔徑軸被引導朝向一偵測器陣列之中心且提供一發散使得恰覆蓋偵測器陣列剛好被覆蓋。因此，可產生各通過待成像之物件之一不同部分之複數個筆形光束(每個筆形光束來自各準直孔徑)。當使電子束橫跨目標掃描時，在任何給定時刻，僅存在通過物件至偵測器陣列之一單一X光筆形光束。準直孔徑之數目(對應於X光輻射自其產生之光點之數目)通常對應於重建影像中之像素之數目。此先前技術系統之目的係以比先前系統低之一輻射曝露提供一心臟病患者之即時X光成像。儘管此系統在其中期望保持低X光曝光之情況中(例如當成像活體時)係有用的，但在其中尋求高一X光功率之情況中係不太有利。
在「Scanning-beam digital X-ray (SBDX) system for cardiac angiography」( Proc. SPIE 3659，Medical Imaging 1999; Physics of Medical Imaging，1999年5月28日)中，作者Solomon等人揭示一種用於心臟血管造影之先進掃描束數位X光系統。使一電子束掃描橫跨位於一聚焦源準直器後面之一透射目標。準直器係一孔徑網格，其軸線與一偵測器陣列之中心對準且透過準直器孔徑之X光光束發散與偵測器大小匹配。
在「Motionless electromagnetic phase stepping versus mechanical phase stepping in x-ray phase-contrast imaging with a compact source」 (Phys. Med. Biol. 60 (2015), 第3031至3043頁)，作者Harmon等人揭示X光相位對比成像且提及X光焦光點可由一磁場移位以取決於磁場之方向在垂直或平行於光柵線之一方向上移動。
本發明基於以下認識：若一電子束交替地引導至一目標上之不同位置，則可獲得一改良X光成像系統，且用於偵測所產生之X光輻射之一偵測器陣列經組態以執行時間解析光子計數使得在一特定時段期間偵測到之光子可歸因於目標上之一各別特定位置。藉此，本發明之實施例可提供較高光子通量而不增加目標之局部熱負載或增加光點大小。
藉由確保電子束引導至各各別位置達足夠短而未能建立熱平衡之一持續時間，可應用比可在目標上之任何特定位置處連續沈積之功率高之一功率。換言之，目標上之任一位置之連續曝光之一週期應具有比一時限短之一持續時間。
藉由進一步確保電子束在一足夠短之時間內返回或至少近似地返回目標上之一特定位置以使該位置不自電子束最後一次引導至該位置起已顯著冷卻，避免目標之過度熱循環且避免與熱致機械應力有關之問題。為判定電子束應在哪個時間週期內返回相同位置(即，被視為一足夠短之時間)，可判定各情況之一特性時間標度。換言之，在在此期間電子束分別引導至目標上之第一及第二位置之各者之連續週期之間經過的一時間應小於一時限。
替代地，可使用交替接通及關閉之兩個單獨電子束而非在不同位置之間交替移動相同電子束。
目標可為一固體目標或一液體目標。一目標可實施為一透射目標或一反射目標。在其中目標實施為一液體目標之實施例中，目標較佳地係一或多個液體噴射。若一單一液體噴射用作為目標，則電子束於其間交替移動之不同位置在該液體噴射上。一單一液體噴射可實施為用於透射模式中之一平面噴射，其中電子束沿實質上垂直於液體噴射之一行進方向之一方向上在不同位置之間移動。若兩個或更多個噴射用作為目標，則電子束於其間交替移動之不同位置可在不同液體噴射上。一固體反射目標可實施為一旋轉目標(即，一旋轉陽極)，在此一情況中，電子束可沿實質上垂直於目標之一旋轉方向之一方向在不同位置之間移動。
當以一時間解析方式偵測到X光輻射時，由偵測器捕獲之各影像可與目標上之不同位置之一各別位置相關聯。接著，可將與不同位置相關聯之影像組合成其中來自不同位置之X光輻射重疊之一區域之一單一影像，同時維持自一單一X光光點獲得之解析度及清晰度。因此，捕獲一物件之相同部分之至少一第一及一第二影像，其中使用來自目標上之第一位置之X光輻射捕獲第一影像且使用來自目標上之一第二位置之X光輻射捕獲第二影像。隨後，影像在後處理中組合成物件之部分之一單一影像。
在使用一固體目標之本發明之實施例中，電子束較佳地以一足夠高之速率(短時間週期或連續曝光之間的時間)在目標上之不同位置之間交替以模仿目標中之一熱穩定狀態。藉此，減少歸因於熱循環之機械應力，其繼而可導致目標之增加使用壽命。換言之，電子束在不同位置之間以使得可忽略工作循環期間之任何溫度變動之高速率交替。因此，本發明之實施例允許電子束之一增加功率，且藉此所產生之X光輻射之一增加功率，同時減輕與歸因於目標材料之溫度循環之熱應力相關聯之潛在問題。
在其中電子束在兩個不同位置之間交替之實施例中，可方便地將兩個位置之工作循環設定為50%，即電子束在各別位置暫留時間之一半(忽略在兩個位置之間移動電子束所需之時間)。藉由使暫留時間較短，可限制熱循環之量。然而，在其中電子束在兩個以上位置之間交替之實施例中，對於一給定暫留時間，兩個連續曝光之間的時間將較長。原則上，可使位置之數目任意大，在該情況中，各位置很少曝露。然而，實際上，將限制可用位置之數目。限制可與偵測器容量(例如各像素可保存多少時間戳記值)、電力供應限制或目標大小有關。不管限制位置之數目之原因，限制歸因於溫度循環之目標中引起之熱應力係有利的。較佳的係各別位置處之連續曝光之間的間隔不超過10 μs，諸如小於5 μs，或較佳地小於1 μs。允許曝光之間的較長時間將具有藉由過度熱循環而損壞目標之風險或被迫限制所施加之功率以減輕此風險。
用於使一電子束在不同位置之間移動之技術係所屬技術領域內眾所周知，例如使用靜電偏轉。利用既有技術，電子束可在不同之位置之間以非常高之速率移動。因此，電子束可在目標上之不同位置之間多快交替之上限未由用於移動電子束之可用技術判定，而由偵測器之時間解析度判定，因為自各各別位置產生之光子應合併在一起以允許所捕獲之影像在後處理重構期間組合成一複合影像。
在以下詳細描述中，導出描述目標中之熱之產生及消散之一特性時間標度之表達式。較佳地，電子束以小於此特徵時間標度之10倍、更佳地小於此特徵時間標度之5倍之一時間週期在目標上之位置之間移動。
在一替代實施例中，目標可包括不同位置處之不同材料，因此提供在一次運行期間使用不同X光光譜成像樣本之一機會。輸出將係來自高功率下同時獲取之僅略微不同之角度之具有不同光譜之至少兩個影像。時間解析偵測可用於使各偵測事件與各別X光光譜相關聯，因此不需要偵測器中之能量鑑別。與具有複數個單獨X光源及偵測器來完成此相比，此可係有利的。此實施例之一典型應用將係骨質密度量測。
在投影放射線攝影中，藉由捕獲已通過且在變化程度上由一物件吸收之X光輻射來產生一影像。圖1示意性地展示繪示本發明之原理之一設定。一電子束(圖1中未展示)入射於一目標110上以產生X光輻射，且在已通過位於一樣本位置區域中之一樣本120之後，使用一X光偵測器陣列130偵測X光輻射。其中電子束與目標交互作用以產生X光輻射之區域可指稱一X光點且此光點之大小可指稱X光源之光點大小。由X光偵測器陣列捕獲之影像幾何放大一因數M
Figure 02_image001
其中SDD係源至偵測器距離且SOD係源至物件距離。為在所捕獲之影像中達成最大清晰度，X光源之光點大小應盡可能小。任何有限大小之X光源將導致由以下給出之一影像不清晰度 不清晰度=
Figure 02_image003
其中d係源大小，例如X光點之直徑。
為達成具有足夠對比度之短曝光時間，總X光通量必須足夠高。可藉由增加撞擊目標之電子束之功率，可增加X光通量。然而，增加電子束功率同時維持電子束光點之大小將增加輸送至目標之功率密度。若功率密度變得太高，則此可引導對目標之永久性損壞。因此，為將更多電子束功率施加於目標且藉此增加總X光通量，先前技術中已要求增加源大小。另一方面，此導致如上文所討論之降低影像清晰度。
因此，藉由增加電子束功率及使X光源光點尺寸更大(以限制輸送至目標之峰值功率)來增加總光子通量之任何嘗試均不可避免地會導致一降低影像清晰度。
為解決此等看似矛盾之要求，本發明之實施例使用交替地引導至目標110上之至少一第一位置110a及一第二位置110b之一可移動電子束。自一熱觀點來看，此將對應於使用一較大電子光點，因為所施加之功率將分佈於目標之一較大區域上。然而，由於不需要增加各位置處之光斑大小，因此影像清晰度不必須受到不利影響。
為保持自一單一光點(如圖1中所繪示之110a或110b處之光點)可用之高解析度，經偵測之光子應與光子源自於其之特定位置相關，即偵測器130及電子束應經組態使得可判定由X光偵測器130在任一瞬間接收之X光輻射自第一110a或來自第二110b位置。對於位於其中來自單獨位置110a、110b之輻射重疊之一區域中之一物件120，則可在後處理中重構具有高清晰度之一複合影像。
任何目標具有可在不損壞目標之情況下連續地施加於一特定區域上多少功率之某種限制。然而，若在在此期間施加此較高功率之時間週期在一時間標度上對於目標之加熱及冷卻較短，則可斷續性地施加一較高功率。施加於目標上之一特定位置之平均功率將係電子束功率(其可假定為恒定)乘以一工作循環，即目標上之各位置受電子束影響之時間之分數。可在不引起損壞之情況下輸送至目標之總功率亦可限制可施加於各特定位置之功率。此限制可(例如)藉由提供目標之更佳冷卻而增加。
舉一實例，考量可處置分佈於直徑D之一圓光點上之P0 之一連續熱負載之一目標。假定電子束係以50%之一工作循環在兩個不同位置之間交替偏轉(即，電子光點在50%之時間期間於各別位置處被引導)且忽略用於使電子束在兩個位置之間移動所需之時間，電子束功率可增加2倍。依此方式，經施加於各別位置之平均功率仍係P0 ，但輸送至目標之總功率將係P0 除以等於2P0 之工作循環。此可概括為兩個以上位置。對於其中電子束在n個位置之間交替之一情況，工作循環將係1/n，且可被輸送至目標之最大總功率變為nP0 (再次假定可忽略用於使電子束在位置之間移動所需之時間)。為能夠在不損壞目標之情況下獲得最大總功率，位置需要被充分隔開，使得經施加於一位置之功率不促成一相鄰位置之加熱。再次假定光點大小D之最大允許功率係P0 ，吾人可考量在一短時間內施加之較高功率nP0 分佈於尺寸Deff 之一有效面積上。藉由規定平均功率密度應相同，可看出Deff 必須縮放為
Figure 02_image005
。因此，相鄰位置之間的距離可選擇為大於
Figure 02_image005
D。在其中電子束沿一閉合路徑依一連續方式在目標上移動之情況中，工作循環可近似為電子束光點直徑D除以路徑之長度(L)。因此，在此情況下，輸送至目標之總功率將係P0 L/D。
為能夠施加比可由目標在一特定位置處連續吸收之功率高之電子束功率，在此期間施加較高功率之時間應比某個時限短。此時限將取決於目標之類型及特性，如下文所討論。
取決於所使用之目標材料及本發明之各種實施例中涉及之功率位準，本發明方案可引入與歸因於目標材料之重複冷卻及加熱之目標壽命有關的問題。在一些情況中，此熱循環可引起熱致機械應力，其繼而可導致對目標之永久性損傷。為避免此，電子束可以在目標上之不同位置以一足夠高之速率(短時間週期或連續曝光之間的時間)交替以模仿目標中之一熱穩定狀態。由目標之導熱率及體積熱容量及電子束光點大小給出目標加熱之一特性時間標度。可假定目標加熱之時間標度取決於以下特性 C 每單位質量之目標熱容量      [J/(kg∙K)] ρ 目標密度                            [kg/m3 ] κ 目標導熱率                        [W/m∙K] δ 電子束光點大小                  [m] h 目標中之電子穿透深度         [m] t  一透射目標之厚度               [m]
藉由估算由電子束沈積於目標中之能量之量及由目標傳導之熱功率，可推演相關時間標度。可注意儘管電子束之功率將影響目標中達到之溫度位準，但特性時間標度僅取決於目標性質及電子束之幾何形狀。對於一厚度t之一透射目標(其中電子束撞擊一側且自另一側收集X光輻射之一種類之一目標，即「透射」)，其中沈積熱之體積可近似地係具有由電子束光點大小界定之一(不必須係圓形)橫截面面積及由目標厚度界定之一高度之一圓柱體。對於一非圓形光點，電子束光點大小δ可被視為光點大小之幾何平均值。接著，忽略數值因數，每度溫度增加，沈積於目標中之能量可寫成
Figure 02_image007
(1)
受電子束影響之體積內之溫度增加將驅動來自此體積之一熱流通過圓柱體之封套表面之區域A (對於一透射目標，可忽略電子束之方向上之熱傳導)。熱需要行進一些平均距離l以自汽缸逸出；此距離係由電子束光點大小判定之一近似值。忽略數值因數，每度溫度增加，自由電子束影響之體積傳導出去之功率可寫成
Figure 02_image009
(2)
藉由將根據表達式(1)之每度溫度增加之沈積能量除以根據表達式(2)之每度溫度增加之消散功率，一特性時間標度τ可寫成
Figure 02_image011
(3)
實際上，一透射目標通常包括產生提供於針對其熱及機械性質選擇之一基板(例如金剛石)上之材料(例如鎢)之X光之一薄膜上。在此情況中，亦存在透過由電子束影響之圓柱體之端面之熱轉移。對熱傳輸之此促成將取決於自目標材料至基板材料之熱轉移及基板材料之導熱率。由於基板經配置以改良導熱率，因此每度溫度增加將消散更多功率且特性時間標度因此將比在無一基板之情況下提供之一類似目標之時間標度短。因此，上文提供之估計可被視為一透射目標之特性時間標度之一上限。
對於具有一有限電子穿透深度h之一反射目標(其中電子束撞擊目標之一側且X光輻射自目標之相同側收集之一種類之一目標，即「反射」)，其中來自電子束之能量沈積之體積可近似為具有由電子束光點大小判定之一底面積及由穿透深度給出之一高度之一圓柱體。類似於以上表達式(1)，因此忽略任何數值因數，每度溫度增加之能量可寫成
Figure 02_image013
(4)
自此圓柱體驅動之功率將通過由圓柱體之封套表面以及其端面界定之一區域A。熱必須行進之平均距離l由電子束光點大小及電子穿透深度判定。兩個長度可視為平行路徑，因此平均距離之倒數係兩個長度之倒數之和。因此，忽略任何數值因數，每度溫度增加之消散功率可寫成
Figure 02_image015
(5)
對於一透射目標之情況，可藉由將根據表達式(4)之每度溫度增加之沈積能量除以根據表達式(5)之每度溫度增加之消散功率來獲得一特性時間標度。
Figure 02_image017
(6) 其中S係由以下給出之尺寸反長度之一幾何因數
Figure 02_image019
(7) 對於其中可假定δ ＞＞ h之大電子光點，S減小至h/δ2 且接著時間標度主要由穿透深度判定
Figure 02_image021
(8) 對於其中可假定h ＞＞ δ之緊密聚焦之電子光點, S減小至1/h且時間標度主要由電子光點大小判定
Figure 02_image023
(9) 在此後一情況中，可忽略透過加熱圓柱體之端面之熱傳導且情況變得與透射目標相同，且因此極限中之特性時間標度相同於透射目標之特性時間標度，參閱以上表達式(3)。
作為一數值實例，假定目標由具有C = 130 J/(kg K)，ρ = 19300 kg/m3 ，κ = 173 W/(m k)之鎢製成且假定電子光點大小及穿透深度均為5 μm，以上表達式(6)給出約90 ns之一特性時間標度。對於20 μm之一較大電子束光點及5 μm之相同電子穿透深度，特性時間標度變為230 ns。
對於一液體噴射目標，情況有點不同。對電子束光點處之目標之冷卻之支配促成係目標材料之流動。此程序之特性時間標度可寫成
Figure 02_image025
(10) 其中δ係液體噴射目標處之電子束沿液體噴射之一行進方向之一光點大小且vjet 係液體噴射之一行進速度。
在此上下文中，具有實際參數之一旋轉陽極可被視為一靜止反射固體目標。要達成相同於通常用於液體噴射之量級之目標速度(數百m/s之量級)將需要不切實際的大及/或快速自旋陽極。在此等應用中，一線焦光點通常與垂直於旋轉方向之焦點之較長尺寸一起使用。在本發明概念內，可替代地使用沿垂直於旋轉方向之一方向移動之一圓形光點。此外，此可達成比通常與旋轉陽極一起使用更有利之一起飛角。
為能夠斷續性地將高於目標可耐受延長曝光之一功率之一功率施加於目標上之一位置，目標上之任一位置之連續曝光之週期(在電子束自該位置移開之前)較佳地小於上文所導出之特性時間標度之10倍，更佳地小於特性時間標度之5倍。
為保護目標免受歸因於熱循環之損壞，較佳的亦係用於在目標上之不同位置之間切換電子束之時間週期較佳地小於上文所導出之特性時間標度之10倍，更佳地小於特性時間標度之5倍。換言之，電子束在此期間分別引導至目標上之位置之各者之連續週期之間經過之時間(換言之，連續曝光之間經過之時間)較佳地比特性時間標度短10倍，更佳地比特性時間標度短5倍。
如先前所討論，可施加於各各別電子束光點位置之電子功率存在一限制。若在包括n個位置之一實施例中之最大允許連續功率係P0 ，則當工作循環係1/n時，可將所施加之功率設定為nP0 。自以上計算，可假定電子束光點應在各各別位置處暫留等於由目標之熱容量及導熱率限制之特性時間標度τ之一時間，且此意謂電子束將在nτ秒之後返回各各別之位置。在各曝光處，能量τnP0 之一量將應用於各各別位置且具有一對應溫度上升。若替代地使暫留時間比τ短，則將在各曝光處施加較少量之能量且因此溫度上升將較低。若工作循環及所施加之功率僅由位置之數目主控，則總通量(每秒X光子數)不取決於暫留時間。減少暫留時間將意謂各位置處之連續曝光之間的時間亦將減少。較佳地，相同位置處之連續曝光之間的時間小於10 µs，諸如小於5 µs，諸如小於1 µs。
在一實施例中，特性時間標度係90 ns，如上文所計算。若電子束在兩個位置之間交替且暫留時間設定等於特性時間標度，則若忽略在位置之間移動電子束所需之時間，連續曝光之間的時間將係180 ns。若替代地將暫留時間設定為特性時間標度之10倍，則連續曝光之間的時間將係1.8 µs。
在具有一稍大之光點大小之一實施例中，特性時間標度係230 ns。若此光點在10個不同位置之間交替，則連續曝光之間的時間係2.3 µs。若此光點在100個不同位置之間交替且暫留時間設定為100 ns，則連續曝光之間的時間將係10 µs。
圖2中示意性地展示根據本發明之一X光成像系統200，其包括一偵測器230，用於記錄自來自各別電子束光點位置之X光輻射產生之(例如)一物件或一樣本220之影像(參閱圖1中之110a及110b)。系統200包括一X光目標210及用於產生一電子束I之一電子源201。電子源201通常包括由一電壓供應器700供電之一陰極202且包含一電子源203 (例如一熱離子、熱場或冷場帶電粒子源)。來自電子源201之電子束I可朝向一加速孔徑204加速，此時束I進入具有電子光學器件之一區域，其可包括對準板205、透鏡206及偏轉板207之一配置。對準板205、偏轉板207及透鏡206之可變性質可由一控制器500提供之信號控制。如圖中所繪示，偏轉及對準構件207、205可操作以在至少兩個橫向方向上加速電子束I。
上文所提及之各種組件及部件可位於一外殼600內部，但電壓供應器700及控制器500 (其等位於外殼600外部)可例外，如圖式中所展示。
在電子光學器件下游，電子束I可撞擊X光目標210以產生X光輻射。由電子束I與目標210之間的交互作用產生之X光輻射可經由(例如)一X光窗208自外殼600在通常朝向樣本220及偵測器陣列230之一方向上引出。
系統亦可視情況包括用於量測/偵測目標210下游之電子之一感測器配置240。此感測器可為(例如)經由提供由目標210下游之電子束I攜帶之總電流之一近似量測之一安培計242連接至地面之一導電板。可理解控制器500可自安培計242存取實際信號。
偵測器230之大小可判定樣本位置區域之可用大小。由於本發明依賴於對具有源自目標210之不同位置之X光輻射之一樣本成像，因此其中X光輻射與偵測器之視野重疊之體積界定可用樣本位置區域。為避免由偵測器限制影像品質，與由X光源(即，光點)之有限大小必然引入之非清晰度相比，像素大小應較小。然而，所需像素解析度可自預期檢驗之物件之特性長度標度及X光成像系統之放大率來判定。為根據X光之原點對傳入之X光進行分類，偵測器必須能夠記錄各偵測事件或將在一些時間窗或一組時間窗內發生之偵測事件合併在一起之一時間戳記。與在此期間電子束位於各別光點位置之各者處之時間相比，偵測器之時間解析度應較佳地較短。可有利的偵測器技術之一實例係在由CERN主辦之Medipix合作內開發之Timepix3晶片。一般而言，提供與各像素相關聯之處理能力之偵測器可用於本發明之一優點中。
若偵測器針對各偵測事件產生一時間戳記，則偵測事件可與一電子束位置相關聯，前提係此等事件在對應時間已知。例如，電子束運動可(例如)經預界定且對於後處理系統係已知的。接著，可將第一偵測事件視為電子束運動圖案之開始時間且可將偵測事件映射至該圖案上。另一實施例可利用由X光源或偵測器提供之一觸發信號來標記序列之開始。在又一實施例中，X光源產生電子束位置依據與來自偵測器之記錄一起發送至後處理軟體之時間而變化之一協定。接著，後處理軟體可基於由X光源及偵測器分別記錄之時間而將偵測事件分類至電子束位置。此要求X光源及偵測器在一共同標度上量測時間。
自針對X光點之兩個位置獲得之兩個影像產生一高解析度高對比影像可藉由將其中影像之一者相對於另一者平移一量來完成
Figure 02_image027
(11) 其中b係目標上之電子束光點位置之間的距離。Δ之表達式可自基本幾何形狀獲得。在平移之後，兩個影像可添加在一起。熟習技術者應認識到可以若干方式執行將兩個影像加在一起且亦可包含濾波以改良信雜比。一實例係對各個別像素求和且將結果除以2。以此方式，影像被給予相等權重且像素值保持在原始影像之動態範圍內。
其中電子束以一連續方式在目標上移動而不必在一特定位置處停止之實施例亦包含於本發明概念內。此一實施例之一實例包括以一預定頻率連續地前後移動之一電子束，例如藉由將一三角形波驅動信號施加於一偏轉板。收集自一移動光點發射之光子將意謂可引入運動模糊，類似於由上文所討論之一有限大小X光光點引起之不清晰度。因此，應設定電子束之運動速度使得在自偵測器讀出之間的時間期間引入之運動模糊可被認為係可忽略的。在其中電子束以一恒定頻率在不同位置之間移動之實施例中，以相同頻率收集之影像將由自相同位置發射之X光輻射產生。因此，藉由根據規定之運動在後處理中移位此等影像之位置，可獲得具有高解析度及高對比度之一影像。若不知道精確時序(即，後處理系統在一特定時間不存取電子束位置)，則可嘗試不同假設直至無法進一步改良影像對比度。此可被視為當已知頻率及振幅時發現電子束運動之相位。
舉一實例，考量用於成像一毫米大小物件(諸如一昆蟲或一花蕾)之一設定。經施加於一偏轉板之一三角形波驅動信號可經組態以在隔開1 mm之目標上的兩個位置之間來回移動電子束。接著，成像光學器件可適當地提供約3之一放大率，以針對上文所提及之具有55 μm之Timepix2晶片上基於傳播的相位對比成像給出一下降解析度。在此情況中，一適合源至偵測器距離約係2 m。由三角形驅動信號驅動之一靜電偏轉可設定為1 MHz之一頻率且在目標上之電子束之極值點之間提供1 mm間距之一振幅，使得光點在1.5 ns內移動3 μm乘以Timepix3偵測器之時間精確度。接著，根據其各別時間戳記模數1 μs，將經偵測之X光合併於1 ns大儲格中。當包含像素座標基準時，各儲格將給出一影像。接著，可藉由移位(即，平移)影像隨後具有不同相位之原始三角形驅動信號而在後處理中組合影像以發現哪個相位提供最高對比度。
自不同方向拍攝之至少兩個影像可用於獲得一樣本之一部分層析重構。可採用針對斷層融合及計算分層照相開發之技術，因為此等技術係針對其中僅有限數目個投影可用之情況所開發。熟習技術者應認識到將如上文所討論之影像之平移及添加與不同層析技術組合以自所獲得之影像提取盡可能多之資訊可係有利的。
圖3示意性地展示根據本發明之一方法。藉由將一電子束引導至一目標上來產生301 X光輻射，其中電子束被交替地引導至目標上之至少一第一及一第二位置，從而在第一及第二位置處交替地產生X光輻射。為防止目標過度加熱，電子束在相同位置暫留之時間不應超過一規定時限。較佳地，此時限小於由以上表達式(6)及(7)給出之特性時間標度τ的10倍，特定言之小於5倍。為進一步防止歸因於熱循環之目標損壞，電子束應以一足夠高之速率在不同位置之間交替，即交替運動之時間週期應低於一時限。較佳地，電子束係以小於由以上表達式(6)及(7)給出之特性時間標度τ的10倍、特定言之小於5倍之一時間週期交替地引導至目標上之第一位置及第二位置。換言之，連續曝光之間的時間應小於10 µs，諸如小於5 µs，諸如小於1 µs。在一些實施例中，於第一位置及第二位置之間的一切換期間，電子束被消隱(即，被阻擋)，使得無X光輻射係自第一位置及第二位置外部之區域產生。在其他實施例中，當電子束在第一位置與第二位置之間掃掠時，電子束連續地撞擊目標。儘管本發明以存在X光輻射自其產生之兩個主要位置為一實例，但顯然可使用兩個以上位置來產生X光輻射，且在其中電子束掃過目標之實施例中，X光輻射將自複數個位置產生。舉一實例，可根據可用於後續自經偵測之X光輻射產生一影像之一預定圖案，將電子束引導至目標上。
將所產生之X光輻射引導302至一樣本位置區域，該樣本位置區域係其中可放置待研究之一樣本之位置。樣本位置區域位於其中第一位置處產生之X光輻射與第二位置處產生之X光輻射重疊之一區域中。接著，使用一X光偵測器陣列偵測303已通過該樣本位置區域之X光輻射。已通過樣本位置區域之X光輻射之偵測與電子束之方向互相關304，且基於來自第一位置及來自第二位置之X光輻射產生一影像。在其中根據一預定圖案將電子束引導至目標上之實施例中，電子束之方向與經偵測之X光輻射之間的此互相關性可基於如上文所描述之預定圖案。在一些實施例中，基於源自第一位置及第二位置之X光輻射產生一部分層析重構。
結論 本發明揭示一種X光成像系統，其包括：一目標；一電子束源，其經組態以提供一電子束以與該目標交互作用以產生X光輻射；電子光學器件，其經組態以交替地將該電子束引導至該目標上之至少一第一及一第二位置；一X光偵測器陣列，其經組態以接收該目標上之該第一及第二位置處產生之X光輻射；一樣本位置區域，其用於接收待曝露於所產生之X光輻射之一樣本，該樣本位置區域位於在其中該第一位置處產生之X光輻射與該第二位置處產生之X光輻射重疊之一區域中；及一處理單元，其耦接至該X光偵測器陣列，該處理單元經組態以基於源自該第一位置及該第二位置之X光輻射而產生定位於該樣本位置區域中之一樣本之一影像。在本發明之實施例中，該電子束移動使得每次該電子束引導至一特定位置所產生之該X光輻射之該曝光時間足夠短。在進一步實施例中，該電子束在該等位置之間移動一足夠短之時間週期使得熱循環、且藉此熱致機械應力減少。本發明亦揭示一種對應方法。
110:目標 110a:第一位置 110b:第二位置 120:樣本/物件 130:X光偵測器陣列 200:X光成像系統 201:電子源 202:陰極 203:電子源 204:加速孔徑 205:對準板 206:透鏡 207:偏轉板 208:X光窗 210:目標 220:樣本 230:偵測器/偵測器陣列 240:感測器配置 242:安培計 301:藉由將一電子束引導至一目標上來產生X光輻射 302:將所產生之X光輻射引導至一樣本位置區域 303:使用一X光偵測器陣列偵測已通過該樣本位置區域之X光輻射 304:使已通過該樣本位置區域之X光輻射之偵測與電子束之偵測互相關 500:控制器 600:外殼 700:電壓供應器 I:電子束
現將參照附圖更詳細地描述本發明，其中 圖1繪示根據本發明之一實施例之一典型設定； 圖2示意性地展示根據一實施例之一X光成像系統；及 圖3示意性地繪示根據本發明之一方法。
200:X光成像系統
201:電子源
202:陰極
203:電子源
204:加速孔徑
205:對準板
206:透鏡
207:偏轉板
208:X光窗
210:目標
220:樣本
230:偵測器/偵測器陣列
240:感測器配置
242:安培計
500:控制器
600:外殼
700:電壓供應器
I:電子束

Claims (17)

  1. 一種X光成像系統，其包括 一目標； 一電子束源，其經組態以提供一電子束以與該目標交互作用以產生X光輻射； 電子光學器件，其經組態以交替地將該電子束引導至該目標上之至少一第一及一第二位置； 一X光偵測器陣列，其經組態以接收在該目標上之該第一及第二位置處產生之X光輻射； 一樣本位置區域，用於接收待曝露於所產生之X光輻射之一樣本，該樣本位置區域係位在於其中該第一位置處產生之X光輻射與該第二位置處產生之X光輻射重疊之一區域中；及 一處理單元，其經耦接至該X光偵測器陣列，該處理單元經組態以基於源自該第一位置及該第二位置之X光輻射來產生經定位於該樣本位置區域中之一樣本之一影像； 其中該x光偵測器陣列及該電子束源經組態使得判定由該x光偵測器在任一瞬間接收之該x光輻射係源自該目標上之該第一位置或源自該第二位置；及 其中該第一及第二位置之連續曝光之間的一時間小於10 µs。
  2. 如請求項1之系統，其中該第一及第二位置之連續曝光之間的該時間小於5 µs，諸如小於1 µs。
  3. 如請求項1或2之系統，其中該等電子光學器件經組態以交替地將該電子束引導至該目標上之該至少第一及第二位置，使得任何一位置之連續曝光之一週期具有比一時限短之一持續時間。
  4. 如請求項3之系統，其中該目標係一固體反射目標，且該時限係由以下給出之一特性時間標度τ的10倍、較佳地5倍
    Figure 03_image029
    其中S由以下給出
    Figure 03_image031
    且其中ρ係該目標之一密度，C係該目標之每單位質量之一熱容量，κ係該目標之一導熱率，δ係該目標處之該電子束之一光點直徑，且h係電子至該目標中之一穿透深度。
  5. 如請求項3之系統，其中該目標係一透射目標，且該時限係由以下給出之一特性時間標度τ的10倍、較佳地5倍
    Figure 03_image033
    其中ρ係該目標之一密度，C係該目標之每單位質量之一熱容量，κ係該目標之一導熱率，且δ係該目標處之該電子束之一光點大小。
  6. 如請求項3之系統，其中該目標包括至少一液體噴射，且該時限係由以下給出之一特性時間標度τ的10倍、較佳地5倍
    Figure 03_image035
    其中δ係該目標處之該電子束沿該至少一液體噴射之一行進方向之一光點大小，且vjet 係該至少一液體噴射之一行進速度。
  7. 如前述請求項中任一項之系統，其中該電子束源經組態以在該目標上之該第一位置與該第二位置之間的一切換期間使該電子束消隱，使得無X光輻射自該第一位置及該第二位置外部之該目標的區域產生。
  8. 如前述請求項中任一項之系統，其中該目標包括當該電子束被引導至該各別位置時產生具有不同能譜之X光輻射之該第一位置及該第二位置處的不同材料。
  9. 一種用於X光成像之方法，其包括： 藉由將一電子束引導至一目標上來產生X光輻射，其中該電子束被交替地引導至該目標上之至少一第一及一第二位置，藉此在該第一及第二位置處交替產生X光輻射； 將該所產生之X光輻射引導至一樣本位置區域，其中該樣本位置區域係位在於其中該第一位置處產生之X光輻射與該第二位置處產生之X光輻射重疊之一區域中；及 使用一X光偵測器陣列偵測已通過該樣本位置區域之X光輻射；及 使該電子束之方向與已通過該樣本位置區域之X光輻射之偵測互相關，以判定由該X光偵測器陣列在任一瞬間接收之該X光輻射係源自該第一位置或源自該第二位置，及基於源自該第一位置及源自該第二位置之該X光輻射來產生一影像 其中該至少第一及第二位置之連續曝光之間經過之一時間小於10 µs。
  10. 如請求項9之方法，其中該至少第一及第二位置之連續曝光之間的該時間小於5 µs，諸如小於1 µs。
  11. 如請求項9或10之方法，其中該電子束被交替地引導至該目標上之該至少第一位置及第二位置，使得任一位置之連續曝光之一週期具有比一時限短之一持續時間。
  12. 如請求項11之方法，其中該目標係一固體反射目標，且該時限係由以下給出之一特性時間標度τ的10倍、較佳地5倍
    Figure 03_image037
    其中S由以下給出
    Figure 03_image039
    且其中ρ係該目標之一密度，C係該目標之每單位質量之一熱容量，κ係該目標之一導熱率，δ係該目標處之該電子束之一光點直徑，且h係電子至該目標中之一穿透深度。
  13. 如請求項11之方法，其中該目標係一透射目標，且該時限係由以下給出之一特性時間標度τ的10倍、較佳地5倍
    Figure 03_image041
    其中ρ係該目標之一密度，C係該目標之每單位質量之一熱容量，κ係該目標之一導熱率，且δ係該目標處之該電子束之一光點大小。
  14. 如請求項11之方法，其中該目標包括至少一液體噴射，且該時限係由以下給出之一特性時間標度τ的10倍、較佳地5倍
    Figure 03_image043
    其中δ係該目標處之該電子束沿該至少一液體噴射之一行進方向之一光點大小，且vjet 係該至少一液體噴射之一行進速度。
  15. 如請求項9至14中任一項之方法，進一步包括在該目標上之該第一位置與該第二位置之間的一切換期間使該電子束消隱，使得無X光輻射自該第一位置及該第二位置外部之該目標的區域產生。
  16. 如請求項9至15中任一項之方法，其中根據一預定圖案將該電子束引導至該目標上，且其中該影像係基於該預定圖案而產生。
  17. 如請求項9至16中任一項之方法，其中該目標包括當該電子束被引導至該各別位置時產生具有不同光譜之X光輻射之該第一位置及第二位置處的不同材料。
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